La naturaleza está llena de parásitos: organismos que florecen y proliferan a expensas de otra especie. Sorprendentemente, estas mismas funciones competitivas de parásito y huésped se pueden encontrar en el mundo molecular microscópico de la célula. Un nuevo estudio realizado por dos investigadores de Illinoisha demostrado que los elementos dinámicos dentro del genoma humano interactúan entre sí de una manera que se parece mucho a los patrones observados en las poblaciones de depredadores y presas.
Los resultados, publicados en Cartas de revisión física por los físicos Chi Xue y Nigel Goldenfeld, es un paso importante hacia la comprensión de las formas complejas en que los genomas cambian a lo largo de la vida de los organismos individuales y cómo evolucionan a lo largo de las generaciones.
"Estos son genes que están activos y están haciendo edición del genoma en tiempo real en células vivas, y este es un comienzo para tratar de comprenderlos realmente con mucho más detalle que antes", dijo Goldenfeld, quien lidera la Biocomplejidadtema de investigación en el Instituto Carl R. Woese de Biología Universal IGB: "Esto nos está ayudando a comprender la evolución de la complejidad y la evolución de los genomas".
El estudio fue apoyado por el Centro para la Física de las Células Vivas, un Centro de Fronteras Físicas en Illinois con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, y el Instituto de Astrobiología de la NASA para la Biología Universal en Illinois, que Goldenfeld dirige.
Goldenfeld y Xue se embarcaron en este trabajo debido a su interés en los transposones, pequeñas regiones de ADN que pueden moverse de una parte del genoma a otra durante la vida útil de una célula, una capacidad que les ha valido el nombre de "saltar"genes ". En conjunto, varios tipos de transposones constituyen casi la mitad del genoma humano. Cuando se mueven, pueden crear mutaciones o alterar la actividad de un gen funcional; por lo tanto, los transposones pueden crear nuevos perfiles genéticos en una población para la selección natural.para actuar, ya sea de manera positiva o negativa.
Los investigadores de Illinois querían aprender más sobre cómo funciona la evolución en este nivel, el nivel de organismos completos, observando el ecosistema metafórico del genoma humano. Desde esta perspectiva, la estructura física del ADN que conforma el genoma actúacomo un entorno en el que dos tipos de transposones, elementos nucleares intercalados largos LINE y elementos nucleares intercalados cortos SINE, tienen una relación competitiva entre ellos. Para replicarse, los SINE roban la maquinaria molecular que las LINE usan para copiarellos mismos, algo así como un pájaro cucú engaña a otros pájaros para que críen sus polluelos por ella mientras abandonan los suyos.
Con la ayuda de Oleg Simakov, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, Xue y Goldenfeld se centraron en la biología de los elementos L1 y los elementos Alu, respectivamente, tipos comunes de LINE y SINE en el genoma humano.
Los investigadores adoptaron métodos de la física estadística moderna y modelaron matemáticamente la interacción entre los elementos Alu y L1 como un proceso estocástico, un proceso creado a partir de interacciones casuales. Este método se ha aplicado con éxito en ecología para describir las interacciones depredador-presa; Xue yGoldenfeld simuló los movimientos de transposones dentro del genoma humano con el mismo método matemático. Sus modelos incluían una explicación detallada de cómo los elementos Alu roban la maquinaria molecular que los elementos L1 usan para copiarse a sí mismos.
Los resultados de Xue y Goldenfeld predijeron que se espera que las poblaciones de elementos LINE y SINE en el genoma oscilen de la misma manera que lo harían, por ejemplo, los lobos y los conejos.
"Nos dimos cuenta de que la interacción de los transposones en realidad era muy parecida a la interacción depredador-presa en ecología", dijo Xue. "Se nos ocurrió la idea, ¿por qué no aplicamos la misma idea de dinámica depredador-presa.". esperábamos ver las oscilaciones que vemos en el modelo depredador-presa. Así que primero hicimos la simulación y vimos las oscilaciones que esperábamos, y nos emocionamos mucho".
En otras palabras, demasiados SINE y LINE comienzan a sufrir, y pronto no hay suficiente para que todos los SINE exploten. Los SINE comienzan a sufrir, y las LINE regresan. El modelo de Xue y Goldenfeld hizo la sorprendentepredicción de que estas oscilaciones ocurren en una escala de tiempo que es más larga que la vida humana: ondas de elementos Alu y elementos L1 que se empujan y tiran entre sí en cámara lenta a través de generaciones de los genomas humanos que los transportan.
"El aspecto más esclarecedor del estudio para mí fue el hecho de que realmente podíamos calcular las escalas de tiempo, y ver que es posible que pudiéramos observar estas cosas", dijo Goldenfeld. "Tenemos una predicción de lo que sucede en un solocélulas, y es posible que podamos hacer un experimento para observar estas cosas, aunque el período es más largo que la vida útil de una sola célula ".
En un estudio relacionado, el laboratorio de Goldenfeld ha colaborado con el laboratorio del físico y miembro del tema de investigación de biocomplejidad IGB Thomas Kuhlman para visualizar los movimientos de transposones dentro de los genomas de las células vivas. Usando este tipo de tecnología innovadora y estudiando la historiade evolución molecular en otras especies, Goldenfeld y Xue esperan probar algunas de las predicciones hechas por su modelo y seguir obteniendo información sobre el mundo dinámico del genoma.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :